【STM32学习】——SPI通信协议&SPI时序&W25Q64存储芯片&软件SPI读写

目录

前言

一、SPI通信协议

1.概述​

2.硬件电路

 3.移位示意图

二、SPI时序

1.时序基本单元

2.完整时序波形

三、W25Q64存储芯片

1.芯片简介

 2.硬件电路&引脚定义

 3.芯片框图

4.Flash操作注意事项

四、软件SPI读写W25Q64

五、SPI通信外设

总结

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前言

声明：学习笔记来自江科大自化协B站教程，仅供学习交流！！

对于SPI通信的学习和I2C一样，分为软件模拟实现和硬件配置实现读写W25Q64 Flash存储器！

SPI传输数据的速度更快，协议没有严格规定最大传输速度，取决于芯片厂商需求；SPI的设计比较简单粗暴，实现的功能没有I2C多，比较简单；SPI硬件开销比较大，通信线的个数较多，且通信过程经常有资源浪费的现象——“富家子弟，有钱任性”，只在乎任务快速完成！

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一、SPI通信协议

1.概述

①SPI（Serial Peripheral Interface串行外设接口）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线。

②四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）。同步、全双工

③支持挂载多设备（一主多从）。有几个从机就有几个SS线，指定从机十分方便，给对应线触发电平就行。从机上引脚常写DO或DI，分别接主机的MISO和MOSI。

2.硬件电路

①所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起；

②主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚。同一时刻只可选择一个从机。

③输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。推挽输出高低电平均有很强的驱动能力，这将使得SPI引脚信号的下降沿非常迅速，上升沿也非常迅速（不像I2C那样，下降沿迅速，上升沿缓慢），信号变化快，可达到更高传输速度（MHz级别）。I2C并不是不想使用这个推挽输出，而是因为I2C要实现半双工，经常要切换输入输出，而且要实现多主机的时钟同步和总线仲裁，这些功能都不允许I2C使用推挽输出，要不然一不小心就会电源短路，他选择了更多的功能自然就要放弃更强的性能。SPI也有个冲突点，如图的MISO引脚，主机一个输入接了从机三个输出，如果三个从机都是始终时推挽输出，势必造成冲突，所以在SPI协议里有条规定：当从机的SS引脚为高电平（未被选中时），这个从机的MISO引脚必须切换为高阻态（相当于引脚断开，不输出任何电平），在从机SS为低电平时，MISO引脚才允许为推挽输出。

 3.移位示意图

移位示意图是SPI硬件电路设计的核心

 主机和从机的移位寄存器都有一个时钟输入端（SCK箭头），SPI一般都是高位先行，所以每来一个时钟移位寄存器都会向左进行移位，主和从同理。移位寄存器的时钟源是由主机提供，这里叫作波特率发生器，它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位，同时也通过SCK引脚输出到从机的移位寄存器。

电路工作流程：首先规定时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放到引脚上（通信线上，实际是输出数据寄存器）；时钟的下降沿，引脚上的位采样输入到移位寄存器的最低位。假设主机有个数据10101010要发送到从机，同时从机有个数据01010101要发送到主机...“转圈圈”如图，八个时钟后就会实现。SPI收发都是基于字节交换，当主机同时需要发送一个字节，且同时要接收一个字节时，就可执行下字节交换的时序。如果只想发送不想接收？仍然采用交换字节的时序，发送与接收同时进行，只不过接收的数据（一般统一发0x00或0xFF）不看就行。

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二、SPI时序

1.时序基本单元

①起始条件：SS从高电平切换为低电平。SS是从机选择线，低电平有效，一旦选择了从机通信就开始了。

②终止条件：SS从低电平切换为高电平。

              

③交换一个字节

（模式0）

CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据（奇数边沿进行数据采样），第二个边沿移出数据。但数据总要先移出再移入，所以在SCK第一个边沿之前，就要提前开始移动出数据了，如图几乎与SS下降沿开始信号同步，再SCK第一个上升沿之前。我们实操时按模式0！

（模式1）

CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

CPHA=0：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据（偶数边沿进行数据采样）。先移出数据，再移入数据，比较符合常理，实际应用中模式1和模式0应用最多！

（模式2）

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据（奇数边沿进行数据采样），第二个边沿移出数据。

（模式3）

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

CPHA=0：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据（偶数边沿进行数据采样）。

模式0与模式2对比：CPOL相反，空闲状态电平不同，即SCK极性取反；剩下流程一致。

模式1与模式3对比：与上相同。

注意：CPHA表示时钟相位，决定的是第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入，并不是规定上升沿采样还是下降沿采样。

2.完整时序波形

当然每个芯片对SPI时序字节流功能的定义不同，这里以实操芯片W25Q64的时序为例进行讲解。SPI对字节流功能的规定不像I2C那样，I2C的规定一般是有效数据流第一个字节是寄存器地址，之后依次是读写的数据，使用的读写寄存器模型；

而在SPI中，通常采用的是指令码加读写数据的模型，过程就是SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据，一般叫作指令码，在从机中对应会定义一个指令集，当我们需要发送什么指令时，就可以在起始后第一个字节发送指令集里面的数据，这样就能指导从机完成相应功能了，不同的指令可以有不同的指令个数，有的指令只需要一个指令码就可以完成，比如W25Q64的写使能、写失能等指令，而有的指令后面就需要再跟上要读写的数据，比如W25Q64的写数据、读数据等，写数据指令后面就要跟上在哪里写、要写什么，读数据同样。

下述图片可能不清，详见江科大教程！

发送指令：向SS指定设备，发送指令（0x06）

 指定地址写：向SS指定的设备，发送写指令（0x02），随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

指定地址读：向SS指定的设备，发送读指令（0x03），随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）

 除了以上这些，还有其他时序，不过大同小异：都是起始、交换、交换、交换...、停止，只需要关注下每个字节的功能定义，就能很方便地利用SPI控制设备了。 

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三、W25Q64存储芯片

1.芯片简介

①W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器（掉电不丢失），常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景。存储器分为易失性存储器和非易失性存储器，前者包括SRAM、DRAM等，后者包括E2PROM、Flash等。

②存储介质：Nor Flash（闪存）。像STM32的程序存储器、U盘、电脑里的固态硬盘等都是Flash闪存，闪存分为Nor Flash和Nand Flash。

③时钟频率：80MHz、160MHz（Dual SPI双重SPI模式等效频率）、320MHz（Quad SPI四重）。双重和四重SPI了解下，本节未用！就是一个时钟发送或接收2位/4位，有点并行的意思！

④存储容量（24位地址）：

• W25Q40：    4Mbit/512KByte（bit除以8换算为Byte）
• W25Q80：    8Mbit/1MByte
• W25Q16：    16Mbit/2MByte
• W25Q32：    32Mbit/4MByte
• W25Q64：    64Mbit/8MByte
• W25Q128：    128Mbit/16MByte
• W25Q256：    256Mbit/32MByte

 2.硬件电路&引脚定义

“/”和“—”的意思一样，低电平有效！

WP（Write Protect）写保护，低电平有效。配合内部的寄存器配置，可以实现硬件的写保护，低电平时保护住不让写。

HOLD数据保持，低电平有效，用的不多。如果在进行正常读写时，突然产生中断，然后想用SPI通信线去操控其他器件，这时如果把CS置回高电平，那时序就终止了，但又想在不终止总线时操作其他器件，这就可以HOLD引脚置低电平，这样芯片就HOLD住了——芯片释放总线，但是芯片时序也不会终止，它会记住当前的状态，当操作完其他器件时，可以再把HOLD置回高电平，然后继续HOLD之前的时序。

引脚图中括号里的IO0~IO3与上边说的双重和四重SPI有关，这里先不管！

电路原理图C1是电源滤波，R1和D1是一个电源指示灯，HOLD和WP都是低电平有效接到VC！

 3.芯片框图

Flash空间划分：

 一般一块存储空间可以先划分为若干的块block，其中每一块再划分为若干的扇区Sector，每个扇区内部又可分成很多页Page。

上图右侧大矩形空间里是所有存储器，存储器以字节为单位，每个字节都有唯一的地址，W25Q64的地址宽度是24位（3个字节），最大寻址范围是16MB，大矩形地址范围是000000h~7FFFFFh（8MB），地址空间只用了一半。以64KB为一个基本单元分成了128个Block，注意观察每一个Block里的地址规律xx0000~xxFFFFh。

左上角矩形就是还要再对每一块进行更细的划分，分为多个扇区Sector，如图虚线指向了各个Block，意思是每一块里面都是这个样子。在一个Block里再以4KB为一个单元切分成16个Sector，每一个Sector里地址变化规律xxx000~xxxFFFh。

Sector里继续分成若干Page，一个Page大小为256个字节，即一个Sector可分为16个Page，每一个Page里地址变化规律xxxx00~xxxxFFh。即页（Page）内的地址变化仅限于最低一个字节！

控制逻辑&状态寄存器：

左下角是SPI控制逻辑，即芯片内部进行地址锁存、数据读写等操作都可由其自动完成，就像整个芯片的管理员，需要操作什么告诉它就行了，它会自动操作内部电路完成功能！左侧为通信引脚。

控制上面有个状态寄存器（Status Register），芯片是否处于忙状态、是否写使能、是否写保护都可在此体现！

页缓存区：

256字节页缓存区（256-Byte Page Buffer），其实是一个256字节的RAM存储器，........。数据读写就是通过这个RAM缓存区进行的，写入数据会先放在RAM缓存区里，然后时序结束后芯片再将缓存区的数据复制到对应的Flash里，进行永久保存！为什么要这样？因为SPI写入的频率是非常高的，而Flash的写入由于需要掉电不丢失（留下刻骨铭心的变化）速度比较慢，而缓存区RAM速度非常快。但是因为缓存区只有256个字节，所以写入的一个时序，连续写入的数据量不能超过256字节。由于数据从缓存区转移到Flah存储器里需要一定时间，所以在写入时序结束后，芯片会进入一段忙的状态，如图有条线通往状态寄存器（Status Register），给其BUSY位置1，这时芯片不会响应新的读写时序。

其他：

写控制逻辑（Write Control Logic），和WP引脚相连，配合其完成硬件写保护。高压生成器（High Voltage Generators）是配合Flash进行编程的，要想实现Flash掉电不丢失就要在存储器里产生”刻骨铭心“的变化，一般需要高电压刺激。页地址锁存/计数器（Page Address Latch/Counter）和字节地址锁存/计数器（Byte Address Latch/Counter），这两个是用来指定地址的：STM32通过SPI总共发过来3个字节的地址，因为1个Page是256字节，所以一页内的字节地址取决于最低一个字节。发过来的高位2个字节（前2个）对应的就是页地址，它们会进入Page Address Latch/Counter，最后一个字节进入Byte Address Latch/Counter。

然后页地址通过写保护和行解码来选择我们要操作哪一页，字节地址通过列解码和256字节缓存来进行指定地址的读写操作。此地址指针在读写之后可以自动+1，这样就很容易实现从指定地址开始，连续读写多个字节的目的了。

4.Flash操作注意事项

为了保持Flash掉电不丢失、存储容量大、成本足够低的特性，它会在操作的便捷性等方面做出一些妥协和让步，所以有很多注意事项。RAM则不同，指哪写哪，想写多少就多少，且可覆盖写入，后续来的数据可直接覆盖原来的数据。

①写入操作时：

• 写入操作前必须先进行写使能
• 每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1
• 写入数据前必须先擦除，擦除后所有数据位变为1。发出擦除指令后，芯片也会进入忙状态。
• 擦除必须按最小擦除单元进行。可选择整片芯片擦除、块擦除、扇区擦除，没有再小了。
• 连续写入多个字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据会回到页首覆盖写入。在进行多字节写入时，地址范围不可跨越页的边沿，否则会地址错乱。
• 写入操作结束后，芯片会进入忙状态，不响应新的读写操作

 ②读取操作时：

• 直接调用读取时序，无需使能（1），无需额外操作（234），没有页的限制（5），读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态下读取。

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续下篇（实操）：

四、软件SPI读写W25Q64

五、SPI通信外设

六、硬件SPI读写W25Q64

往期精彩：
STM32定时器输入捕获（IC）
STM32定时器输出比较（PWM波）
STM32定时中断
STM32外部中断
STM32GPIO精讲
…

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